CN101906585B

CN101906585B - 一种高性能建筑结构用耐火钢板及其制造方法

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Publication number: CN101906585B
Application number: CN200910011963.0A
Authority: CN
Inventors: 刘明; 侯华兴; 张万山; 郝森; 敖列哥; 杨颖�; 张涛; 黄磊; 张哲�; 黄松; 陈军平
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2009-06-08
Filing date: 2009-06-08
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2029-06-08
Also published as: CN101906585A

Abstract

本发明公开一种高性能建筑结构用耐火钢板及其制造方法，其化学成分为，重量百分比：C0.02％～0.12％、Si0.05％～0.50％、Mn0.80％～1.50％、Nb0.010％～0.050％、Ti0.010％～0.040％、Als0.010％～0.050％、Cr0.20％～0.60％、Mo0.20％～0.40％，其P≤0.015％，S≤0.005％，[N]≤0.0040％，[O]≤0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质。其生产工艺特点为，钢坯加热温度1100～1250℃，加热时间为60～110s/cm，采用两阶段控轧，终轧温度控制在800～900℃，终轧后30～120秒开始冷却，终冷温度为750～500℃，将钢板快速堆垛缓冷保温，堆垛温度需控轧在650～300℃之间，保温为10～24小时。本发明具有化学成分简单，成本较低，耐火性能较好的特点。

Description

一种高性能建筑结构用耐火钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及高性能建筑结构用耐火钢，具体是一种高性能590N/mm²级别建筑结构用耐火钢板及其制造方法。

背景技术

耐火钢(FR钢)其耐热温度要求在600℃以上(一般钢材仅为350℃以下)，这种钢材在可燃物较少且空间较大的建筑物和体育馆、博物馆等场所应用时基本可以不用防火涂料，就可达到耐火要求，从而节省大量投资。美国“911”事件发生后，世界各国对于建筑物、特别是高层建筑结构的耐火性能提出了迫切而严格的要求。因此建筑用高性能耐火钢板成为近年来研究开发的热点。

日本是建筑钢结构发展最快，新钢材、新技术开发最先进、应用范围最广的国家，其建筑领域所用的钢材约占普通钢的30％左右，是日本钢材用量最大的领域。日本耐火钢的研究开发工作引人处于世界领先地位，主要产品为板材和H型钢。

中国从20世纪90年代末开始从事耐火钢方面的研究。马钢、鞍钢、宝钢和武钢等钢厂先后研发了耐火钢，由于耐火钢中的主要合金元素是高Mo，导致耐火钢的成本较高，影响了耐火钢的大量推广和使用。

国际国内有关590N/mm²级别建筑结构用耐火钢板及制造方法的专利也有相关的报道。

如：日本新日铁钢铁公司申请的专利号为JP2000256791的发明专利“Low yield ratio type fire resistant hot rolled steel sheet and itsand its production”中所公开的低屈强比带钢，其钢的化学成分按质量百分比为：0.01～0.1C，0.05～0.8Si，0.5～1.5Mn，0.3～1.5Mo，0.005～0.05Nb，0.02～0.1V，0.0003～0.0025B，该钢种屈强比小于0.8，并且焊接性能良好，但耐火性能较差Rel_(600℃)/Rel_(室温)＜2/3。

日本专利号为JP2001049338的发明专利“防火可焊耐侯钢”，韩国浦项专利号为19980039060的耐火钢发明专利，虽然达到了温度为600℃，1～3小时内屈服强度下降不低于其常温的2/3，但由于其耐600℃高温的耐火钢不控制生产工艺和屈服比，而且其合金含量高，造价昂贵，不易于焊接，不适合国内建筑用钢市场。

武钢提供一种专利申请号为011335629的耐火钢及其生产方法，该钢虽然达到了600℃1～3小时内屈服强度下降不低于其常温的2/3，但是也存在没有控制碳当量和屈强比的弊端，使焊接等应用性能达不到要求，且合金含量高，价格昂贵，同样，不能满足国内建筑用钢市场的需求。

新日本制铁株式会社渡部义之、植森龙治等人2008年1月发明的申请号为JP060601/2005“焊接性和气割性优良的高强度耐火钢及其制造方法”的专利，公开了一种耐火钢及其制造方法，其钢的化学成分按质量百分比为：0.04～0.14C，0.05以下Si，0.5～2.0Mn，0.3～0.7Mo，0.01～0.05Nb，0.06以下Al，0.05～1.0Ni，0.05～1.0Cu，0.0005～0.010REM，钢种加工工艺为钢坯或铸坯加热到1100～1300℃的温度，接着在800～950℃的温度下进行轧制后，以比该轧制结束时的温度低150℃或750℃之中较高的一个温度以上的温度进行直接淬火，接着在Ac1以下的温度进行回火处理，或轧制后再次加热到900～950℃的温度进行淬火，然后在Ac1以下的温度进行回火处理。该钢种应用了Mo、Cu、Ni、REM等贵重合金增加了合金成本，复杂的生产工艺提高了生产成本，无疑对钢厂生产设备提出了较高的要求。并且从所有专利查新得到，其发明专利低温韧性要求都为0～-20℃，不能满足北方低温地区用户使用要求。

东北大学刘振宇、唐帅、孙庆强等人2008年4月申请发明的申请号为200810011049.1“一种590MPa级低屈强比低碳当量建筑用钢板的制造方法”的专利，公开了一建筑用钢板制造方法，其钢的化学成分按质量百分比为：0.15C，0.37Si，1.41Mn，0.031Nb，0.0295Al_t，0.081V，0.014P，0.005S，钢种加工工艺为钢坯或铸坯加热到1200±10℃的温度，执行控轧工艺，一阶段终轧温度为1040～1060℃，待温钢坯厚度为46～90mm，二阶段开轧温度为940～910℃，二阶段终轧温度为840～870℃；轧后以3～8℃/s冷却至室温；轧后再次加热到760～810℃的温度进行淬火，然后500℃温度进行回火处理。该钢种不添加Mo、Cu、Ni、Cr等贵重合金降低了合金成本，但该建筑钢复杂的生产工艺又提高了生产成本，无疑对钢厂生产设备提出了较高的要求，并且该钢种不具有耐火性能。

由以上对比专利可知，目前590N/mm²级别建筑结构用耐火钢板的生产存在以下不足：

(1)耐火性差难以满足建筑耐火性能设计要求；

(2)钢板合金设计中贵重元素含量较高，增加了合金成本；

(3)大部分需要配合复杂轧制工艺或采用淬火、回火等热处理工艺，生产成本较高；

(4)普遍采用轧后控冷的生产方式，钢板容易变形；

(5)屈服强度变化范围较大，部分钢种不控制屈强比，这不利于减震结构的设计和制造；

(6)低温韧性要求基本为0～-20℃难以满足北方低温地区冬季对钢结构的设计和施工需要。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种高性能建筑结构用耐火钢板及其制造方法。

本发明其特点在于，钢化学成分以低C低Mo或低Cr为主，其具体化学成分为，重量百分比：C0.02％～0.12％、Si0.05％～0.50％、Mn0.80％～1.50％、Nb0.010％～0.050％、Ti0.010％～0.040％、Als0.010％～0.050％、Cr0.20％～0.60％、Mo0.20％～0.40％，其P≤0.015％，S≤0.005％，[N]≤0.0040％，[O]≤0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质。

C：为了保证钢的强度需要0.02％以上的C含量，同时为了保证钢的焊接性能和低温韧性，C的含量不宜超过0.12％。

Si：为了使钢的延伸性能以及保证可焊性，将Si的含量控制在小于0.50％，但Si小于0.05％降低了耐火钢强度，因此其下限不低于0.05％。

Mn：Mn的主要作用是固溶强化和脱氧，过多时会使强度过高，太低对后部轧制的控制不起作用，所以Mn含量控制在0.80％～1.50％。

P、S为钢中的有害元素含量控制越低越好，一般控制在P≤0.015％，S≤0.005％。

Nb和Ti、Al主要作用是抑制加热时晶粒长大，同时起固溶和析出强化的作用，Ti、Al配合脱氧可以减少强度的增加过多，增强Ti脱氧产物的有益作用。

Cr：Cr对提高钢的高温性能有明显作用，并且含量超过0.30％时具有耐大气腐蚀作用，并且与Mo复合作用更易于提高钢的耐火性能，也提高钢的耐盐雾腐蚀能力；过高的Cr0.60％以上无意义，只有增加合金成本。

Mo：Mo是钢种提高耐火性能最有效的合金元素，但Mo价格昂贵，导致耐火钢的成本较高。本发明通过合理的轧制及后续辅助工艺，在满足性能的前提下降低Mo的使用量，将Mo元素控制在0.20％～0.40％。

本发明钢的具体生产工艺特征如下：

生产工艺流程：炼钢-精炼-连铸-钢坯加热-两阶段控制轧制-控制冷却-保温自回火-成品。

冶炼工艺：进行铁水预处理，采用转炉冶炼，通过顶吹或顶底复合吹炼，进行精炼处理，并进行微合金化，控制钢中杂质含量在上述成分范围；根据钢水中氧含量，控制Als含量在0.010％～0.050％，加Ti微合金化，连铸采用电磁搅拌，减少元素偏析。

轧制工艺特征：轧制过程采用再结晶控轧工艺。轧前将钢坯加热到温度1100℃～1250℃范围内，控制加热时间为根据钢板厚度60秒/厘米～110秒/厘米，采用这种加热工艺既能保证钢坯温度均匀性，又能有效的溶解钢中合金元素；采用两阶段控轧，目的在于控制终轧温度，细化组织，第一阶段轧制只需要钢板表面除磷后即可开始，第一阶段终轧温度控制在不小于1000℃，目的在于保证钢板回复再结晶过程具有足够的驱动力；第二阶段轧制开始温度控制在970℃～870℃，第二阶段再结晶区轧制积累变形量大于60％，终轧温度控制在800℃～900℃，这一阶段的轧制是在较高温度下进行的，这样对轧制设备的能力要求大大降低，同时也提高了生产效率；在终轧和开始冷却之间需要保留30秒～120秒的时间，目的在于为钢板提供充分的弛豫时间，让弛豫作用能够进一步促进高温转变组织发生转变，繁杂的组织造成有效晶粒尺寸更加细小；之后进行控制冷却，开始冷却温度为750℃～850℃，终冷温度为750℃～500℃，控冷至这一温度相变已经结束，形成了硬相组织，满足强度级别的需要；最后将钢板快速堆垛缓冷保温，堆垛温度需控轧在650℃～300℃之间，保温时间为10～24小时，利用钢板自回火作用改善钢板板型，并使组织、性能均匀化，同时Nb等合金的析出强化可以一定程度上弥补Mo等贵重合金含量降低的强度缺失。

钢板组织及机理特征：钢板组织为铁素体+粒状贝氏体+MA，通过轧制工艺过程产生的大量亚结构组织很稳定又能起到小晶粒作用，有较高的位错密度，并具有很高的抗回火稳定性，在发生火灾时，钢中会形成各种应变诱导析出相对位错亚结构起到钉扎作用提高其高温稳定性；特别是Mo、Cr固溶强化作用，加之在高温下MA组织分解形成稳定的合金渗碳体，以及Nb等合金元素的析出强化作用，使该钢获得优异的高温性能。

按上述技术方案生产的建筑结构用耐火钢具有以下有益效果：

(1)具有较好的耐火性能，具有在600℃保温1～3小时屈服强度下降不低于常温状态的2/3；

(2)-20℃～-40℃纵向低温韧性大于100J，可以满足寒冷地区建筑行业减震设计、施工的需求；

(3)具有良好的塑性，延伸率A％≥18％；并具有较低的屈强比Rel(或Rp0.2)/Rm≤0.8；

(4)热轧控冷并配合自回火即可获得良好且均匀的板型和性能；

(5)化学成分简单，除基本元素外，只适量添加Cr、Mo和Nb，成本较低。

具体实施方式

本发明钢化学成分以低C、低Mo或低Cr为主，其具体化学成分为，重量百分比：C0.02％～0.12％、Si0.05％～0.50％、Mn0.80％～1.50％、Nb0.010％～0.050％、Ti0.010％～0.040％、Als0.010％～0.050％、Cr0.20％～0.60％、Mo0.20％～0.40％，其P≤0.015％，S≤0.005％，[N]≤0.0040％，[O]≤0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明钢的具体生产工艺流程为：

炼钢-精炼-连铸-钢坯加热-两阶段控制轧制-控制冷却-保温自回火-成品。

冶炼工艺：进行铁水预处理，采用转炉冶炼，通过顶吹或顶底复合吹炼，进行精炼处理，并进行微合金化，控制钢中杂质含量，根据钢水中氧含量，控制Als含量在0.010％～0.050％，加Ti微合金化，连铸采用电磁搅拌，减少元素偏析。

轧制工艺特征：轧制过程采用再结晶控轧工艺。轧前将钢坯加热到温度1100℃～1250℃范围内，控制加热时间为根据钢板厚度60秒/厘米～110秒/厘米，采用两阶段控轧，第一阶段轧制只需要钢板表面除磷后即可开始，第一阶段终轧温度控制在不小于1000℃，第二阶段轧制开始温度控制在970℃～870℃，第二阶段再结晶区轧制积累变形量大于60％，终轧温度控制在800℃～900℃，在终轧和开始冷却之间需要保留30秒～120秒的时间，之后进行控制冷却，开始冷却温度为750℃～850℃，终冷温度为750℃～500℃，控冷至这一温度相变已经结束，形成了硬相组织，满足强度级别的需要；最后将钢板快速堆垛缓冷保温，堆垛温度需控轧在650℃～300℃之间，保温时间为10～24小时，利用钢板自回火作用改善钢板板型，并使组织、性能均匀化，同时Nb等合金的析出强化可以一定程度上弥补Mo等贵重合金含量降低的强度缺失。

下面介绍根据本发明的化学成分及生产工艺的几个具体实施例为，本发明的钢种实际化学成分如表1，本发明钢实例的实际工艺参数如表2，本发明实物性能检验结果如表3。

表1本发明钢种的冶炼成分实例，Wt％

实例编号	C	Si	Mn	P	S	Nb	Ti	Als	Cr	Mo
											实施例1	0.069	0.45	0.83	0.015	0.005	0.012	0.022	0.025	0.26	0.21
实施例2	0.075	0.12	1.33	0.015	0.005	0.035	0.013	0.012	0.49	0.25
											实施例3	0.082	0.25	1.49	0.011	0.003	0.040	0.020	0.030	0.53	0.39
实施例4	0.023	0.35	1.45	0.014	0.004	0.029	0.012	0.035	0.32	0.31
											实施例5	0.048	0.35	1.37	0.012	0.005	0.038	0.047	0.042	0.41	0.20
实施例6	0.10	0.49	1.23	0.011	0.003	0.047	0.036	0.050	0.52	0.24

表2本发明钢实例的实际工艺参数

实例编号	厚度mm	出炉温度℃	一次终轧温度℃	二次开轧温度℃	终轧温度℃	终冷温度℃
							实施例1	16	1130	998	950	860	591
实施例2	30	1135	1009	931	857	690
							实施例3	55	1135	1010	920	898	597
实施例4	25	1100	1000	940	853	592
							实施例5	36	1110	1000	925	821	689
实施例6	60	1110	1007	900	869	639

表3本发明钢实施例的力学性能

Claims

1.一种高性能590N/mm²级建筑结构用耐火钢板的制造方法，工艺流程为：炼钢—精炼—连铸—钢坯加热—两阶段控制轧制—控制冷却—保温自回火—成品，其特征在于，

冶炼工艺：控制Als含量在0.010%～0.050%，加Ti微合金化，连铸采用电磁搅拌；

钢化学成分为，重量百分比：C0.02%～0.075%、Si0.05%～0.50%、Mn0.80%～1.50%、Nb0.010%～0.050%、Ti0.012%～0.040%、Als0.010%～0.050%、Cr0.20%～0.49%、Mo0.20%～0.40%，其P≤0.015%，Ｓ≤0.005%，[N]≤0.0040%，[O]≤0.0020%，余量为Fe及不可避免的杂质；

轧制工艺：轧制过程采用再结晶控轧工艺，轧前将钢坯加热到温度1100℃～1250℃范围内，控制加热时间为根据钢板厚度60秒/厘米～110秒/厘米，采用两阶段控轧，所述的两阶段控轧，其第一阶段轧制是当钢板表面除磷后开始，第一阶段终轧温度控制在不小于1000℃，第二阶段轧制开始温度控制在970℃～931℃，第二阶段再结晶区轧制积累变形量大于60%，终轧温度控制在853℃～900℃，在终轧和开始冷却之间需要保留30秒～120秒的时间，之后进行控制冷却，开始冷却温度为750℃～850℃，终冷温度为690℃～500℃；

最后将钢板快速堆垛缓冷保温，堆垛温度需控轧在650℃～300℃之间，保温时间为10～24小时；

钢板的延伸率A%≥18%，屈强比≤0.8，600℃保温1～3小时屈服强度不低于常温状态的2/3，-20℃～-40℃纵向低温韧性大于100J。